建筑材料热工设备光电检测技术.ppt

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1、建筑材料热工设备,第四章 光电检测技术,光机电技术,光学技术,机械技术,电子技术,光机电测控技术,光机电传感器,融合,核心部分,基础,1-2 光机电测控技术概念,核心：物理量光学量电信号 机械运动属性：光机电技术是一种交叉学科，光学、电子学、材料学、半导体技术、计算机技术、仪器仪表等等目的：物理量的检测、传递、控制应用：精密测量、红外探测、遥感、激光雷达、空中侦察、制导武器、导航、跟踪、光通信、图像处理、夜视、深空探测等等,1-2 光机电测控技术概念,传感器的概念,传感器的作用：是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。（非电量与电量系统之间的接口）敏感器：能够将被测非电量转换为可用非电量

2、的器件或装置光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件，广泛应用于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。,1-2光机电测控技术概念,1-3 光机电测控与人工操作区别,比较：被测物体 感觉器官 人脑 手控 被测物体 光机电传感器 微机 执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官,被测对象,光机电测控系统,光 源,光学系统,机电执行机构,1-4 光机电测控系统的组成,光机电测控技术的特点,高精度：测长度nm量级；高速度：光速是最快的；非接触式检测：可长距离工作；远距离、大量程：遥控、遥测和遥感；,受光学介质的影响大（水、空气、尘土）成本高。,1-4 光机电测控系统的组成,热辐射：由于

3、外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。热辐射源的特性：它的辐射能量直接与它的温度有关。热平衡辐射：如果物体从周围物体吸收幅射能所得到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量，则辐射过程达到平衡状态，这称为热平衡辐射。,2-2 光辐射与热辐射,热辐射主要在红外波段任何物体只要它的温度高于热力学温度（0K或摄氏-273），它就一定不断地发射电磁辐射（热辐射）。由于其中的分子、原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电磁波。只要外界传递热量给物体以维持物体的温度不变，物体就能不改变内能持续稳定地发射电磁波。,2-2 光辐射与热辐射,在研究热平衡辐射所遵从的规律时，我们假定物体发射能量和吸收能量的过程

4、中，除了物体的热状态有所改变外，它的成分不发生变化。热辐射的辐射光谱是连续的。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。热辐射不仅与物体温度有关，而且与物体表面特征有关。,2-2 光辐射与热辐射,若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。它没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。,2-2 光辐射与热辐射,黑体,五、普朗克定律,描述黑体的光谱辐射出射度与波长、绝对温度直接的关系,黑体光谱辐射出射度为：,式中 h普朗克常数,k玻尔兹曼常数,c

5、光速,2-2 光辐射与热辐射,每条曲线都有一个峰值，随着温度的升高，此峰值向短波方向移动,普朗克曲线,2-2 光辐射与热辐射,本定律由德国物理学家威廉维恩（Wilhelm Wien）于1893年通过对实验数据的经验总结提出。威廉维恩提出本定律的时间是在普朗克黑体辐射定律出现之前，且过程完全基于对实验数据的经验总结。后来证明，本定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论。,六、维恩位移定律,描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律,设黑体辐射的峰值波长，则存在如下的简单关系：,已知物体的温度时，可以计算其峰值辐射波长，反之亦然。（温度与峰值波长成反比）,2-2 光辐射

6、与热辐射,维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是6000K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。,描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律,2-2 光辐射与热辐射,光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光

7、电效应和内光电效应,2-2 光辐射与热辐射,光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象,2-2 光辐射与热辐射,光电效应光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属半导体接触上时，会在PN结或金属半导体接触的两侧产生光生电动势。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），

8、光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。,2-2 光辐射与热辐射,光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流,光热效应,2-2 光辐射与热辐射,自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率

9、分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。,光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：,线状光谱 带状光谱 连续光谱 混合光谱,低压汞灯、激光,高压汞灯、高压钠灯,荧光灯,热辐射光源、白炽灯,光谱功率分布（相对光谱功率分布）,2-3 光源的基本特性参数,2.1 波的叠加,(1)干涉 干涉指两列或多列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。相干 两个波的相差2 1恒为0或者固定值，则这两个波被称之为相干的。相干是产生干涉的必要条件，另外一个条件是两个波源的频率几乎相同。非偏振光可

10、以描述成两个正交的、振幅相同但相位差随时间变化的平面偏振波合成的结果，故在满足相长干涉、相消干涉的情况下，也有干涉现象产生。,2-5 光路分析的基本规律,(2)衍射,当障碍物的线度与光波波长可比拟时，光线偏离直线传播，进入几何暗影区，并形成明暗相间的条纹的现象。衍射也是波叠加的结果，表现为直线传播的光束在遇到障碍时的绕射。按照光源和屏到障碍物的距离，可以把衍射分为两种：当光源和屏与障碍物的距离都是有限远，或其中一个是有限远时，称为Fresnel衍射。当光源和屏与障碍物的距离都是无限远时，称为Fraunhofer衍射；在实验室常利用凸透镜的聚焦性模拟来自“无限远处”的平行光。,2-5 光路分析的

11、基本规律,2.2 光的偏振态与旋光,光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做偏振。偏振光包括如下几种：线偏振光，在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。部分偏振光，光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。椭圆偏振光，在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。圆偏振光，旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光

12、，是椭圆偏振光的特殊情形。,2-5 光路分析的基本规律,(2)人为双折射现象：,某些各向同性介质在外力（机械力、电场力）作用下会变成各向异性介质，从而产生双折射现象，而有些各向异性介质在外力作用下会改变双折射性质，这类现象称为人为双折射现象。电光效应在外界电场作用下会形成各向异性而产生双折射。在磁场作用下，Faraday效应也能使非晶体产生双折射现象。光弹性效应：玻璃、塑料等非晶体在通常情况下是各向同性的，但在机械应力（拉力或压力）作用下会变成各向异性而显示双折射现象，这就是光弹性效应。利用光弹性效应来研究应力分布方法已经成为一个专门的学科，称为光测弹性力学。,2-5 光路分析的基本规律,光调

13、制的分类：内调制、外调制,内调制：将待传输信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制。实例：半导体激光器电源 激光器谐振腔,外调制：在光源外的光路上放置调制器，将待传输信号加载于调制器上，来实现调制。,解调：从已调制信号中恢复原始信号的过程，调制的逆过程。,2-6 光辐射调制概述,调制的作用：使光信号携带信息、抑制背景干扰、抑制系统固有噪声和外部电磁干扰。,光辐射调制的基本原理,调制的形式：模拟调制、脉冲调制、数字调制。,模拟调制：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振（载波是模拟信号）。特点：信息信号的幅度与波参数的幅度之间一一对应。模拟调制形式：调幅（AM）、调频（FM）、调

14、相（PM）。,2-6 光辐射调制概述,模拟调制的原理,强度调制：,振幅调制：,频率调制：,2-6 光辐射调制概述,脉冲调制,载波：对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，用脉冲序列作载波（载波是脉冲序列）。方法：脉冲的幅度、宽度、频率或位置随信息信号的幅度变化。分类：脉冲调幅（PAM）、脉冲调宽（PWM）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（PPM）。,2-6 光辐射调制概述,脉冲调制,脉冲幅度调制,脉冲宽度调制,脉冲频率调制,脉冲位置调制,2-6 光辐射调制概述,数字调制,方式：把信息以编码形式转变位脉冲序列特点：脉冲在时间上固定，幅度被量化优点：,效率高、失真小；抑制噪声能力强、精度高；系统易于实现

15、。,2-6 光辐射调制概述,声光调制,概念：弹光效应：当一块各向同性的透明介质受外力作用时，介质的折射率会发生变化。,声光效应：声波是一种机械应力弹性波，当超声波作用于介质时，也会引起弹光效应。通常把超声波引起的弹光效应称为声光效应。,声光栅：当超声波在声光介质中传播时，介质密度呈疏密的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化。这样，可以把超声波作用下的介质等效为一块“相位光栅”，即声光栅。光栅的条纹间隔等于超声波的波长s。声光衍射：声光栅与光学条纹光栅相似，当入射光束通过该介质时，则入射光波被声光栅衍射。衍射光束的强度、频率和方向等都随着超声场的变化而变化。,2-6 光辐射调制概述,电光调制,

16、电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。用来作调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方向切割成长方形或圆柱形等形状。当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效应（普克尔效应）或平方效应（克尔效应）。加电场的方向通常有两种方式：一是电场沿着晶体主轴z轴（光轴方向），使电场方向与光线方向平行，产生纵向电光效应；二是电场沿晶体任一主轴x轴或y轴或z轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生横向电光效应。,2-6 光辐射调制概述,横向电光调制器原理线性电光效应：某些晶体的o光和e光在横向电压作用下产生的位相差与电压值成线性,2-6 光辐射调制概述

17、,电光效应某些各向同性的透明介质（如气体、液体和玻璃态固体）在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。有些各向异性介质在外力作用下会改变双折射性质，这类现象称为人为双折射现象,2-6 光辐射调制概述,激光技术发展史,1.1917年：爱因斯坦在关于辐射的量子力学一文预言了 原子受激辐射发光的可能性，即存在激光的可能性;,2.20世纪50年代：汤斯和肖洛的光激射器理论；激光器方案的提出；,3.1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器；,4.1960年至今：激光技术飞速发展。,Laser“激光”,Laser,“通过受激辐射实现光放大”,Light

18、 Amplification of Stimulated Emission of Radiation,引 言,激光是一种高亮度的定向能束，单色性好，发散角很小，具有优异的相干性，既是光电测试技术中的最佳光源，也是许多测试技术的基准。激光的基本产生过程是通过受激辐射实现光放大，必要条件包括具有亚稳态能级的工作物质，在亚稳态实现粒子数反转，通过光学谐振器实现光放大,3-1激光的基本性质,（1）自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级 自动跃迁到低能级,这种跃迁称为自发跃迁.由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射.,3-1激光的基本性质,（2）受激吸收,原子吸收外来光子能量,并

19、从低能级 跃迁到高能级,且,这个过程称为光吸收.,3-1激光的基本性质,（3）受激辐射,由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.,原子中处于高能级 的电子,会在外来光子(其频率恰好满足)的诱发下向低能级 跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.,3-1激光的基本性质,粒子数反转分布,表明,处于低能级的电子数大于高能级的电子数,这种分布叫做粒子数的正常分布.叫做粒子数反转分布.,已知,3-1激光的基本性质,要实现粒子数反转，必须具备一定条件：一是要具备必要的能源（如光源、电源等），把低能级上原子尽可能多的激发到高能级上去，这个过程叫做“激励”、“激发”或者叫“抽运”、“泵浦”

20、；二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质，这种物质具有合适的能级结构，即具有亚稳态，这种物质称为激活介质。,产生激光的基本条件是粒子数反转分布,3-1激光的基本性质,有些物质具有亚稳态，它不如基态稳定，但比较激发态要稳定得多，如红宝石中络离子、氦原子、氩原子、二氧化碳等粒子中都存在亚稳态，具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转。,三能级系统和四能级系统的工作物质,3-1激光的基本性质,1.粒子数反转,四能级系统,2.光学谐振腔,激光原理,受激辐射,四能级系统,3-1激光的基本性质,当红宝石受到强光照射时，铬离子被激励，使处于基态的大量铬离子吸收光能而跃迁到激发态 上，被激发的铬离子在 能级上

21、的平均寿命很短，约为，所以很快转移到 能级上，此能级寿命较长（10-3秒），因而不立即以自发辐射的方式返回基态,3-1激光的基本性质,光学谐振腔与阈值条件,激活介质本身不是一台激光器，在激活介质内部受激辐射与自发辐射是同时存在的，且后者占主导地位。即使在工作物质处于粒子数反转分布情况下，所获得光的强度是很弱的，没有实用价值。,设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而将其它方向传播的光抑制住，以致在这一特定方向超过自发辐射，这样就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，从而获得方向性和单色性很好的强光激光，这种装置叫做光学谐振腔。,

22、3-1激光的基本性质,实现光振荡，有放大元件、正反馈系统、谐振系统和输出系统。在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起正反馈、谐振和输出的作用工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜（两反射面可以是平面、凹球面，或一平一凹），它们相互平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用。,3-1激光的基本性质,光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡.,加强光须满足驻波条件,3-1激光的基本性质,3-1激光的基本性质,在有了激活介质和谐振腔的条件下还不一定能产生激光，因为光在谐振腔内来

23、回反射的过程中，对光强变化的影响存在两个独立因素：,（1）激活介质中光的增益，它使光强变大；（2）端面上光的损耗（包括衍射、吸收、透射等），它使光强变小。,要使光强在谐振腔内来回反射的过程中不断得到加强，就必须使增益大于损耗，这就是阈值条件。,3-1激光的基本性质,激光准直测量原理,直线度误差是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变动量；直线度测量是平面度、平行度、垂直度等几何量测量的基础,传统方法:,建筑:垂线法,拉钢丝法大型设备安装:拉钢丝法木工:划线法,机械加工:钳工的划线法,定位,传统方法的特点:简单,直观,垂线法,拉钢丝法易,受环境因素影响,精度低,激光准直技术具有拉钢丝法的直观性、简单

24、性和普通光学准直的精度，并可实现自动控制。,现有的激光准直仪按照工作原理可以分为,1)振幅测量法2)干涉测量法3)偏振测量法,1.振幅（光强）测量法,利用激光的能量中心及其光强分布实现直线度测量其基本原理:原理：振幅测量型准直仪以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收。探测器输出对中和偏心信号。这种方法比用人眼通过望远镜瞄准方便，瞄准的不确定度上也有一定的提高，但其准直度受到激光束漂移、光束截面上强度分布不对称、探测器灵敏度不对称，以及空气扰动造成的光斑跳动等的影响。,缺点:,激光器的光束漂移,光束的非均匀性,探测器灵敏度不对称 空气的折射率梯度,气流的扰动等影响,(1

25、)菲涅耳波带片法,强分布均匀,当激光束通过望远系统后，均匀地照射在方形波带片上，并使其充满整个波带片，则在光轴的某一位置出现一个很细的十字亮线。调节望远系统的焦距，则十字亮线就会出现在光轴的不同位置上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线是干涉的效果，所以具有良好的抗干扰性。同时，还可克服光强分布不对称的影响。,(2)位相板法,激光准直测试技术的应用直线度的测试,用激光准立仪制导镗内孔,生产上自动控制,3-5 激光多普勒测速技术,概述1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使频率发生变化

26、多普勒效应。1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射光有频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量。,1.多普勒效应当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的频率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的现象就是声学多普勒效应。爱因斯坦在论物体的电动力学中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不同，即存在光（电磁波）多普勒效应。,3

27、-5 激光多普勒测速技术,声学多普勒效应与波源及观测者相对于介质运动有关，光学多普勒效应只与光源和观测者之间的相对运动有关，因此，声学（机械波）和光学（电磁波）的多普勒效应有本质区别。,3-5 激光多普勒测速技术,4-2 激光干涉原理与条件,1干涉原理光干涉的基础是光波的叠加原理。由波动光学知道，两束相干光波在空间某点相遇而产生的干涉条纹光强分布为：,满足 的光程差相同的点形成的暗线叫暗纹，亮纹和暗纹组成干涉条纹。其中m是干涉条纹的干涉级次。,2干涉条件通常能够产生干涉的两列光波必须满足三个基本相干条件：频率相同振动方向相同恒定的位相差,在实际应用中，有时需要有意识地破坏上述条件。比如在外差干

28、涉测量技术中，在两束相干光波中引入一个小的频率差，引起干涉场中的干涉条纹不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的位相差。,静态稳定干涉场的条件,4-2 激光干涉原理与条件,影响干涉条纹对比度的因素小结：对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是：光源的时间相干性；光源的空间相干性；相干光束的光强不等；杂散光的存在；各光束的偏振状态差异；振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。,4-2 激光干涉原理与条件,4-4 激光全息干涉测试技术,全息术及其基本原理概念：全息的概念早在1948年就由英国的Gabor提出。所谓全息就是在摄影底片上同时记录物

29、光波的振幅和位相的全部信息，通过再现，可以获得物光波的立体像。全息术是一种两步成像技术：记录，即以干涉条纹的形式在底片上存储被摄物体的光强和位相；再现，即用光衍射原理来重现被记录物体的三维形状。,全息术及其基本原理全息术与普通照相相比具有以下特点：三维性。全息术能获得物体的三维信息，成立体像。抗破坏性。全息图的一部分就可以再现出物体的全貌，仅成像的亮度降低、分辨力下降，而且全息图不怕油污和擦伤。信息容量大。光学系统简单，原则上无须透镜成像。,4-4 激光全息干涉测试技术,全息术及其基本原理全息图的记录设参考光波为因为参考光波是平面波，则振幅恒定，位相随y值变，以O点为参考，任一点 P(x,y)

30、的位相将比入射到 O点光波的位相延迟了令 则有,4-4 激光全息干涉测试技术,全息术及其基本原理全息图的记录对于物体光波，由于入射到全息底片上各点的振幅和位相均为(x,y)的函数，故P(x,y)点物体光波电场分布为,注意与参考光波的比较,全息底片仅对光强起反应，而光强可表示为光波振幅的平方，即,该式表明，全息底片上的光强分布按正弦规律分布，而且干涉条纹的亮度和形状主要由物光波决定，因此物体光波的振幅和相位以光强的形式记录在全息底片上。全息底片经过显影和定影处理后，就成为全息图(又称全息干板)。,4-4 激光全息干涉测试技术,4-4 激光全息干涉测试技术,3.1 全息术及其基本原理物光波的再现,

31、如果用和参考光一样的光波再现全息图，则得到的透射光波为,在整个全息图上 近似为常数，则该项正好是一个常数乘上一个物体光波，它表示一个与物体光波相同的透射光波，这个光波具有原始光波所具有的一切性质，如果迎着该光波观察就会看到一个和原来一模一样的“物体”。所以，这个透射光波是原始物体波前的再现。由于再现时实际物体并不存在，该像只是衍射光线的反向延长线所构成，称之为原始物体的虚像或原始像。,该项也含有物体光波的振幅和位相信息，但是它和物光波前进方向不同，这可以从位相项中看出。它所表示的光波是比照明光波更偏离z轴的光束波前。前的负号预示着再现光波对原始物体光波在相位上是共轭的，即从波前来讲，若原来物体

32、光波是发散的话，则该光波将是会聚的。此处，原来物体光波是发散的，所以，这一项所表示的光波在全息图后边某处形成原始物体的一个实像。,该项是在照明光束方向传播的光波，它经过全息图后不偏转，但是振幅会发生变化。,全息术及其基本原理物光波的再现如果再现过程中用另外方向的光束作为照明光波，再现像会随之变化。,重要性质：由图明显看出，由于全息图记录的是物体光波和参考光波产生的干涉条纹，它分布于整个全息图上，因此，如果全息图缺损一部分，仅减少了干涉条纹所占的面积，降低了再现象的亮度和分辨力，而对再现像的位置和形状是毫无影响的。这就是说，全息图对缺损、划伤、油污、灰尘等没有严格要求，这一点在应用中具有重要意义

33、。,4-4 激光全息干涉测试技术,全息干涉测试技术全息干涉测试技术是全息术应用于实际最早也是最成熟的技术，它把普通的干涉测试技术同全息术结合起来，具有许多独特的优势：1）全息干涉技术则能够对任意形状和粗糙表面的三维表面进行测量，测量不确定度可达光波波长数量级。2）全息图的再现像具有三维性质，因此全息干涉技术可以从不同视角观察一个形状复杂的物体，一个干涉全息图相当于用一般干涉进行多次观察。3）全息干涉技术是比较同一物体在不同时刻的状态，因此，可以测试该段时间内物体的位置和形状的变化。4）全息干涉图是同一被测物体变化前后的状态的记录，不需要比较基准件，对任意形状和粗糙表面的测试比较有利。,4-4

34、激光全息干涉测试技术,全息干涉测试技术静态二次曝光全息干涉法原理：二次曝光全息干涉法是将两个具有一定位相差的光波分别与同一参考光波相干涉，分两次曝光记录在同一张全息底片上。当用与参考光完全相同的再现光照射该全息图时，就可以再现出两个互相重叠的具有一定位相差的物光波。当迎着物光波观察时，就可以观察到在再现物体上产生的干涉条纹。,4-4 激光全息干涉测试技术,全息干涉测试技术实时法全息干涉原理：将对物体曝光一次的全息图经显影和定影处理后在原来摄影装置中精确复位，再现全息图时，再现像就重叠在原来的物体上。若物体稍有位移或变形，就可以看到干涉条纹。,设物光波和参考光波在全息底片上形成的光场分布分别为：

35、,经过曝光、显影和定影处理后得到的全息底片透射率分布为：,4-4 激光全息干涉测试技术,全息干涉测试技术实时法全息干涉把经过处理后获得的全息图复位，并用原参考光波R和变形后的物光波A1同时照射全息图，设变形后的物光波,透过全息图的光场复振幅分布是,4-4 激光全息干涉测试技术,全息干涉测试技术时间平均法多次曝光全息干涉技术的概念可以推广到连续曝光这一极限情况，结果得到所谓的时间平均全息干涉测试技术。这种方法是对周期性振动物体做一次曝光而形成。当记录的曝光时间大于物体振动周期时，全息图上就会有效地记录许多像的总效果，物体振动的位置和时间平均相对应。当这些光波又重新再现出来时，它们在空间上必然要相

36、干叠加。由于物体上不同点的振幅不同而引起的再现波相位不同，叠加结果是再现像上必然会呈现和物体的振动状态相对应的干涉条纹，亦即产生和振动的振幅相关的干涉条纹。其再现像光强分布为,时间平均全息干涉技术是研究正弦振动的最好工具，也可以用于研究非正弦运动，是振动分析的基本手段。,4-4 激光全息干涉测试技术,全息干涉测试技术计算全息干涉技术含义：全息图是具有黑度连续变化的照片。如果不用实际物体来形成黑度变化，而是用数字计算机来实现这些连续的黑度变化，就有可能利用计算机人为地制造一个想象中的物体。所谓的计算全息就是利用计算机产生全息图。,优势：计算全息技术为精密测试提供了一个制作标准的崭新途径。例如，非

37、球面的检测、各种复杂三维形状的检测等，可以人为地制作一个标准的非球面波面来检验工件，为大型精密加工、汽车、航空航天、造船等工业的轮廓检验提供了新手段。同时，计算全息技术也为光学滤波、信息存储等光学信息处理提供了新途径。,4-4 激光全息干涉测试技术,全息干涉测试技术应用全息技术是一门正在蓬勃发展的光学分支，其应用渗透到各个领域，已成为近代科学研究、工业生产、经济生活中十分有效的测试手段，广泛应用于位移测量、应变测量、缺陷检测、瞬态测试等方面，在某些领域里的应用具有很大优势。,缺陷检测,4-4 激光全息干涉测试技术,全息干涉测试技术应用计算全息用于检测非球面,4-4 激光全息干涉测试技术,激光外

38、差干涉测试技术应用 激光外差干涉测长,4-5 激光外差干涉测试技术,激光外差干涉测试技术应用 激光外差干涉测量微振动,方解石棱镜及1/4波片的作用是使测量光束的光路既作发射光路，又作接收光路。通过o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光学定向耦合”作用，使发射与接收的光无损失地通过方解石棱镜(不考虑光吸收损失)。,频率fs信号由声光调制器的信号源直接输入混频器与拍频信号混频，把多普勒频移fD解调出来。,4-5 激光外差干涉测试技术,激光外差干涉测试技术应用 激光外差干涉在精密定位中的应用,该干涉仪系统有以下两个特点：(1)仪器分辨力由于多普勒频差增加一倍而增加一倍；(2)平面反射镜相对于光轴的

39、任何偏斜只会使反射回的光束偏移，而不会偏斜。,4-5 激光外差干涉测试技术,一.激光衍射测量原理,衍射/绕射:光波在传播过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向，绕过障碍物的边缘而进入几何阴影区，并在障碍物后的观察屏上呈现光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。使光波发生衍射的障碍物或者其它能使入射光波的振幅或位相分布发生某种变化的光屏称为衍射屏。波能够绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象，称为波的衍射现象 波:声、光、电磁、机械波障碍物：大小、形状对现象均有影响现象：与波的波长、障碍物的大小、光源/观察的位置有关,4-8 激光衍射测试技术概述,光的波长短，对很小的缝隙/屏才有明显的衍射现象，

40、激光出现后，衍射现象才实际应用到测量中：1973年 Canada 国家研究所 T.R.Pryer 提出了激光衍射测量的方法衍射测量的特点：全场，非接触，稳定性好，自动化程度高，精度高,4-8 激光衍射测试技术概述,1.菲涅耳和夫琅和费衍射,划分：按光源、障碍物/衍射物，观察屏三者之间的距离或位置划分菲涅耳衍射和夫琅和费衍射（1）菲涅耳衍射/近场衍射 光源障碍物接收屏距离为有 限远（2）夫琅和费衍射/远场衍射 光源障碍物接收屏距离为无 限远,4-8 激光衍射测试技术概述,1.菲涅耳和夫琅和费衍射,夫琅和费衍射是我们衍射测量的基本原理其常用的光路图如下：,4-8 激光衍射测试技术概述,2、单缝测量

41、原理,（1）.单缝衍射现象其观察屏的光强分布：有菲涅尔衍射原理有由基尔霍夫条件知：则光强分布：,4-8 激光衍射测试技术概述,（2）、单缝测量原理,单缝衍射的特点：1）中央明纹最亮、最宽，它的宽度为其他各级明纹宽度的两倍2）次级明纹的光强随级次的增加而逐渐减小3）若光程差不等于/2 的整数倍，亮度介于最明与最暗之间。4）条纹的方向平行于缝的方向5）暗条纹=k 即,4-8 激光衍射测试技术概述,（2）.单缝测量的原理,当不大时则有:,由暗条纹现的公式知:,4-8 激光衍射测试技术概述,（2）.单缝测量的原理,由此可以得出以下结论:测定L Xk的大小,就能计算狭缝宽度测定b Xk的大小,就能计算L

42、的大小如果Xk变化,L已知,反映了狭缝的变化,可实现在线测量由公式可知,暗条纹间距为固定值 所以通过测量条纹间距,也可以测量以上各值,4-8 激光衍射测试技术概述,测量量程,一般d的宽度取,4-8 激光衍射测试技术概述,二.激光衍射测量方法,衍射测量根据夫琅和费狭缝衍射原理进行测量：,常用的测量方法主要有：1、间隙测量法2、反射衍射测量法3、分离间隙法4、互补测屏法5、爱里斑测量法6、衍射频谱检测法,4-9 激光衍射测试方法,1、间隙测量法,间隙法主要运用单缝衍射原理，通过测量某一暗条纹的距离，通过公式，计算出被测量的大小。主要分：尺寸比较形貌测量c.传感器 可以测量应力/应变，温度，压力，加

43、速度等,4-9 激光衍射测试方法,1、间隙测量法,测量出某一暗条纹的位置后,利用衍射公式,计算出变化量的多少.也可以通过计数某一位置(衍射角度固定),衍射条纹数的变化条数计算第一种,为绝对测量法第二种为增量测量法,4-9 激光衍射测试方法,1、间隙测量法,基本的间隙法测量装置:,测量应变装置:,4-9 激光衍射测试方法,3、分离间隙法,4-9 激光衍射测试方法,2、反射衍射测量法,反射衍射法是利用试件棱缘和反射镜构成的狭缝来进行衍射测量的。由于平面镜作用,相当于虚线的光源发出的光照射,则两端线光程差为:,根据衍射条件知:光程差为波长整数倍,出现暗条纹,即,4-9 激光衍射测试方法,2、反射衍射

44、测量法,将右式展开:则有带入 所以有:,为任意值，可以测量某角度下的不同级数暗条纹的位置X，连立方程求解,4-9 激光衍射测试方法,2、反射衍射测量法,特点：1、灵敏度提高一倍 2、入射光可以以一定角度入射，布置方便应用：表面质量评价、直线性测定、间隙测定等,4-9 激光衍射测试方法,反射衍射测量法角一般是任意的，测得某一入射角位置的两个xk值代入公式，联立解出值和b值。从实例可见，该法易于实现检测自动化，其检测灵敏度可达2.50.025m。,4-9 激光衍射测试方法,莫尔测试技术,引言：莫尔（Moire）一词在法文中的原意是表示水波纹或波状花纹。当薄的两层丝绸重叠在一起并作相对运动时，则形成

45、一种漂动的水波型花样，当时就将这种有趣的花样叫做莫尔条纹。一般来说，任何两组（或多组）有一定排列规律的几何线族的叠合，均能产生按新规律分布的莫尔条纹图案。1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手段，根据条纹形态来评价光栅尺各线纹间的间隔均匀性，从而开创了莫尔测试技术。随着光刻技术和光电子技术水平的提高，莫尔技术获得较快发展，在位移测试、数字控制、伺服跟踪、运动比较等方面有广泛的应用。,莫尔测试技术,1.1 莫尔测试技术基础在莫尔测试技术中，通常利用两块光栅（称做光栅付）或光栅的两个像的重叠产生莫尔条纹，以获取各种被测量的信息。莫尔条纹的形成，实质是光通过光栅时光的衍射和干涉的结果

46、。在不同场合，可以有多种解释方式。几何光学原理如果所用的光源为非相干光源，光栅为节距较大的黑白光栅，光栅付栅线面之间间隙较小时，通常可以按照光是直线传播的几何光学原理，利用光栅栅线之间的遮光效应来解释莫尔条纹的形成，并推导出光栅付结构参数与莫尔条纹几何图形的关系。,莫尔测试技术,1.1 莫尔测试技术基础几何光学原理,莫尔测试技术,1.1 莫尔测试技术基础几何光学原理,实际应用中，两栅的节距往往相同，即P1=P2=P。,光学放大作用。例如，=0.004弧度时（即14），W=250P，节距放大倍率达250倍。,光导纤维简称光纤，它是以特别的工艺拉成的细丝。光纤透明、纤细，虽比头发丝还细，却具有能把

47、光封闭在其中，并沿轴向进行传播的特征。,5-1 光导纤维的结构,圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率,5-1 光导纤维的结构,斯乃尔定理,当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射,（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：,5-1 光导纤维的结构,1.数值孔径（NA）,入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度的正弦值就称为光纤的数值孔径反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重

48、。,5-2 光导纤维的主要参数,5-2 光导纤维的主要参数,把被测量的状态转变为可测的光信号的装置,光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。,光纤传感器结构原理,5-3 光纤传感器原理,光纤传感器工作原理：光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。,5-3 光纤传感器原理,(1)根据光纤在传感器中的作用,功能型（传感型）非功能型（传光型）拾光型,

49、5-4 光纤传感器分类,(a)功能型（全光纤型）光纤传感器,利用外界因素改变光纤的特征参量，从而对外界因素进行计量和数据传输的，称为传感型光纤传感器，它具有传、感合一的特点，信息的获取和传输都在光纤之中。光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。,5-4 光纤传感器分类,(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器,光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。,传

50、光型光纤传感器是指利用其他敏感元件测得的特征量，由光纤进行数据传输，它的特点是充分利用现有的传感器，便于推广应用。,5-4 光纤传感器分类,(c)拾光型光纤传感器,用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器,5-4 光纤传感器分类,(2)根据光受被测对象的调制形式,(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器,5-4 光纤传感器分类,(a)强度调制型光纤传感器,利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:结